CN111490596A - 飞轮混合锂电池储能辅助火电机组调频的能量管理装置及系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种飞轮混合锂电池储能辅助火电机组调频的能量管理装置及系统。本申请一实施例中，飞轮混合锂电储能辅助火电机组调频的能量管理装置可以包括：数据采集与监控模块，配置为通过专用协议与储能调频控制装置进行通讯，采集控制器数据并进行实时的监控操作，以及采集储能系统和机组运行状态数据；调频控制模块，配置为根据AGC指令，基于系统工况自动进行计算，得到实时的储能出力要求并生成相应的出力指令，将该出力指令实时下发给锂电池储能系统和飞轮储能系统，从而控制储能系统出力。本申请实施例不仅完善了储能系统实际运行中的功能，满足了火电调频的需求，而且能够有效提升混合储能联合火电调频的系统的可靠性、效率和调频性能等。
Description
技术领域
本发明涉及能源管理技术领域，尤其涉及一种飞轮混合锂电池储能辅助火电机组调频的能量管理装置及系统。
背景技术
目前，火电调频系统的计算规则中以发电单元的调频里程为交易标的，其中最重要的为发电单元响应AGC控制指令的调节速率，响应时间和调节精度三个技术指标构成的调频性能指标K。
现在的储能参与电网AGC调频中，电网AGC调度指令下发到火电机组，储能系统同时获取该AGC指令同步参与调频，由于火电机组响应速度较慢，储能系统利用自身响应速度快(秒级)的特性弥补机组出力与AGC指令间的功率差值，等机组出力跟上之后，储能系统出力逐渐降低，以确保储能系统和机组联合出力与AGC指令保持一致。
锂电池其优点在于具有较高的能量存储密度，能够实现大容量能量存储,缺点在于功率密度较低，难以实现大电流持续快速放电。飞轮优点在于具有较大的功率密度，充放电速度快、受温度影响较小，充放电循环寿命可达10万次以上。混合储能技术就是将具有快速响应特性、循环周期寿命长的功率型储能和具有大容量储能特性的能量型储能联合使用、协调控制，最大限度地发挥各种储能技术的长处，提高储能系统的技术经济优势。
随着电池储能系统的发展和在火电调频项目中的应用及示范项目建设，电池储能系统的内部构架、集成设计和安全保障有了行业规范。但混合电池储能系统的自身控制和与火电机组的联动协调尚未有清晰的界定，导致储能系统实际运行中存在功能缺失或冗余、可靠性降低、效率下降、调频性能下降等问题。
发明内容
为解决上述技术问题，期望提供一种飞轮混合锂电池储能辅助火电机组调频的能量管理装置及系统。
根据本申请的一个方面，提供了一种飞轮混合锂电储能辅助火电机组调频的能量管理装置，包括：
数据采集与监控模块，配置为通过专用协议与储能调频控制装置进行通讯，采集控制器数据并进行实时的监控操作，以及采集储能系统和机组运行状态数据；
调频控制模块，配置为根据AGC指令，基于系统工况自动进行计算，得到实时的储能出力要求并生成相应的出力指令，将该出力指令实时下发给锂电池储能系统和飞轮储能系统，从而控制储能系统出力。
根据本申请的另一个方面，提供了一种飞轮混合锂电储能辅助火电机组调频的能量管理系统，包括如上述的能量管理装置。
本申请实施例采用功能一体化设计，可以在电池储能联合火电调频中实现数据采集与处理、储能系统能量分配等一系列功能，不仅完善了储能系统实际运行中的功能，满足了火电调频的需求，而且能够有效提升混合储能联合火电调频的系统的可靠性、效率和调频性能等。
附图说明
图1为本申请实施例适用的电网架构的示例性结构图。
图2为本申请实施例适用的电网机构的示例性结构图。
图3为本申请实施例飞轮混合锂电储能辅助火电机组调频的能量管理装置的结构示意图。
图4为本申请实施例飞轮混合锂电储能辅助火电机组调频的能量管理系统的结构示意图。
具体实施方式
下文将结合附图对本申请实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的各个实施例及其中的各特征可以相互任意组合。
如前文所述，电池储能系统的自身控制和与火电机组的联动协调尚未有清晰的界定，导致储能系统实际运行中存在功能缺失或冗余、可靠性降低、效率下降、调频性能下降等问题。
针对上述技术问题，本申请实施例的基本构思是提供一种用于飞轮混合锂电池储能辅助火电机组调频的能量管理装置及系统，采用功能一体化设计，可以在电池储能联合火电调频中实现数据采集与处理、储能系统能量分配、储能电池维护管理、人机交互等一系列功能，不仅完善了储能系统实际运行中的功能，满足了火电调频的需求，而且能够有效提升混合储能联合火电调频的系统的可靠性、效率和调频性能等。
图1和图2示出了本申请实施例所适用的电网架构的结构。如图1所示，本申请实施例所适用的系统可以包括：发电机组、集散控制系统(DCS)、电厂远端测控单元(RTU，RemoteTerminal Unit)、能源管理装置(EMS)、和电网侧连接的主变压器、高厂变压器、升压变压器、储能变流器(PCS，Power Conversion System)、飞轮储能单元和锂电池组。图1的示例性系统中，自动发电控制(AGC，Automatic Generation Control)调频指令来自EMS，EMS通过AGC调频指令控制调频机组的出力，以满足不断变化的用户电力需求，并使系统处于经济的运行状态。图1和图2的示例中，能量管理装置(EMS)与PCS的通信协议为标准MODBUS TCP/IP协议PCS做服务器，默认端口号为502，EMS与电池管理系统(BMS)通信协议为标准MODBUSTCP/IP协议默认端口号为502。
本申请实施例提供的能量管理系统(EMS)可以包括五层，分别是硬件平台层、操作系统层、通用中间层、统一支撑平台层和应用软件层。下面对各个部分进行详细说明。
硬件平台层可以是现今流行的各种硬件平台，例如，可以是RISC体系结构的计算机，也可以是CISC体系结构的计算机。比如，可以是32位机，也可以是64位机等等。
操作系统平台层中的操作系统可以选用多种现今流行的操作系统，例如UNIX、LINUX和Microsoft Windows等。
通用中间件层，操作系统屏蔽中间件层的存在，使得储能调频控制监控系统能够运行在多种操作系统和硬件平台上，具有很好的可移植性。
统一支撑平台层构筑在通用中间件层之上，为各类电力系统应用软件的开发和运行提供统一的支撑平台。统一支撑平台层主要包括数据库管理、网络管理、系统管理、平台接口等多个子系统。
应用软件层构筑在统一支撑平台层之上，实现各类电力系统应用软件，如SCADA、控制和操作、统计计算、AGC指标分析、AGC性能评价等。
本申请实施例的能量管理装置(EMS)实现对储能系统的能量分配和维护管理，保障电池能量平衡，提高电池寿命。如图3所示，该能量管理装置主要包括如下的功能模块：
1.数据采集与监控模块31：
一方面通过专用协议与储能调频控制装置进行通讯，采集控制器数据，并进行实时的监控操作；另一方面，采集储能系统和机组运行状态数据，实现储能调频多维度指标分析。
实际应用中，上述数据采集与监控模块可采集可以包括如下四个方面的数据：
1)储能系统的数据：监控的具体范围包括PCS、BMS、PCS本地控制装置等。采集的信息包括储能系统的运行状态、电气信息、运行参数、保护信息等。
2)电厂RTU的数据：采集的信息包括调度AGC指令，通过PLC AGC调频系统给出。
3)电厂DCS的数据：发电机输出功率、一次调频指令标志等，通过PLC AGC调频系统给出。
4)环境监控：监控的具体范围包括箱内环境。采集的信息可以包括环境的温度、湿度、烟雾等信息。
本申请实施例中，数据采集与监控模块按双重化和互为备用的原则配置，分层控制，硬件积木化、软件模块化，并具有良好的开放性和兼容性，满足换流站对监控系统的可靠性、实用性、安全性和可扩充性的要求，同时具有与站内其它智能化设备接口及处理的能力。数据采集与监控模块可以由运行人员控制层、控制层、就地层组成。
运行人员控制层为全站设备监视、测量、控制、管理的中心，布置在集装箱内的服务器柜内，配置2台服务器。同时，在数据采集与监控系统站控层配置两套冗余的远动工作站，实现远动数据处理、接收、发送、通信功能。远动工作站信息为直采直送，采用双通道向调度传送信息，与调度主站端的通信可采用点对点和数据网两种方式。
控制层中可以按照不同的工作类型和电气间隔单元，以相对独立的方式分散在各个工作场所。控制层接收就地层采集的现场相关信息，通过网络传送给站级计算机，同时还能接收运行人员控制控层的操作控制命令，对换流站设备进行控制、调节。
就地层中，数据采集与监控系统按间隔设置冗余的就地I/O单元，其功能为采集电气设备的相关信息并上传至控制层，同时执行其控制层的指令，完成对应设备的操作控制。
2.实时数据管理模块32
实际应用中，实时数据管理模块32可以根据需要建立实时数据库和历史数据库。实时数据库包含装入储能电站监控系统采集的实时数据，其数值需根据运行工况的实时变化而不断更新，记录被监控设备的实时状态。实时数据可以包括数据采集与监控模块所采集的实时数据，储能电站主要电气设备的参数，经程序处理的数据等。实时数据库的刷新周期按工程要求设置。历史数据库可以根据需要来将长期保存的重要数据按选定周期存放在数据库中。历史数据库中的所有历史数据可按文件形式转存作长期存档。
3.界面显示模块33
界面显示模块33可以通过控制显示器来显示主要电气设备运行参数和设备状态等信息，以便进行监视。这里，界面显示模块所显示的画面类型可以包括厂站接线图、充放电潮流图、PCS状态图、电池堆状态图、负荷曲线图、负荷分布图，频率曲线图、其它曲线图(有功、无功、电压、电流、实时/历史)、电压棒图、电压监视、电压曲线、动态饼图、电池温度、电站充放电功率、系统图、全网系统图、地理位置图、系统配置图、系统工况图、主机资源图(CPU负荷、磁盘使用率等)、通道工况图、远动通道、通道监视、保护信息监视、电网概况、通信录、实时事项弹出、用户自定义各类画面等。
这里，界面显示模块控制显示器显示的内容可以包括遥测、遥信(例如，开关、刀闸、保护信号、变压器挡位信号等)、电度量、频率、系统实时或置入的数据和状态、计算处理量(例如，功率总加，计划负荷与实际负荷的差值、功率因数等)、时间等。
界面显示模块还可以控制显示器通过画面显示实时数据库所有对象的任何字段，如：越限值，对象名，开关跳闸次数，主机CPU负荷，主机磁盘占用率，网络状态，通道状态及用户增加的任何字段等。
4.报警模块34
在平台正常运行时，报警模块可配置为确定所采集的模拟量发生越限，数字量变位及系统自诊断故障时进行报警处理。事故状态时，公用事故报警立即发出音响报警，后台人机界面的显示器画面上有相应的颜色改变并闪烁，同时推出显著的报警窗口。
一些示例中，报警模块的报警方式可以包括两种：事故报警和预告报警。具体地，事故报警可以包括非操作引起的断路器跳闸和保护装置动作等，预告报警可以包括例如一般性设备变位、状态异常信号、模拟量越限及其他系统异常等。
一些示例中，报警模块可以通过文本显示和声音提示等来发出告警信号。具体地，各类重要信息事件一旦产生即可弹出相应信息记录窗体，添加相应事件文本信息，并可按照语音告警设定方式发出声音以提示运行人员。
5.数据统计分析模块35
数据统计分析模块可按运行要求，对电流、电压、频率、功率及温度等量进行统计分析。数据统计分析模块支持对电能量分时段和方向累计。设有关口表时，电能量数据以关口表采集数据为准。
一些示例中，数据统计分析模块可以具有如下功能：1)对变压器的负荷率、损耗及经济运行进行分析；2)对母线电压不平衡及合格率进行统计；3)对监控范围内的断路器正常操作及事故跳闸次数，分接头调节档次及次数，设备的投退、通道异常、主要设备的运行小时数及各种操作进行自动记录和统计；4)所用电率计算，例如，数据统计分析模块可以对储能电站用各种方式采集到电能量进行处理，并分时段统计计算。
6.故障录波分析模块36
录波分析模块系统可以在同一个视窗下依次顺序显示各个模拟量通道的波形。支持分段录波数据的显示。提供垂直滚动和水平滚动功能。各个通道的波形按照相别分别用不同的颜色显示。支持曲线的纵向移动，可以通过鼠标拖拽方式在垂直方向拖动。可以对波形曲线的水平方向和垂直方向进行放大和缩小显示。显示两条游标线，一条用来标注起始位置，一条用来定位各个时刻数据。显示各通道名称、游标线的对应时刻、两游标线之间的时间差、各通道二次值和单位。显示保护启动时刻、保护出口时间(从保护启动到保护出口的时间)和保护返回时间(从保护启动到保护返回的时间)。对各通道的名称、测量值单位、曲线颜色等属性可以进行设置。
7.诊断与维护模块37
系统在线运行时，由诊断与维护模块对本系统内的软硬件定时进行自诊断，当诊断出故障时能自动闭锁或退出故障设备，并发出告警信号。这里，自诊断的范围可以包括：保护测控装置、主机、操作员工作站、工程师工作站、远动装置及网络接口等各类软硬件。
8.同步对时模块38
储能电站监控系统配置卫星时钟设备接收GPS+北斗的标准授时信号，以便对站控层各工作站及间隔层各单元等有关设备的时钟进行校正。同时具备通过远动装置接收调度主站端的标准授时信号的能力。
9.调频控制模块39
根据AGC指令，基于系统工况自动进行计算，得到实时的储能出力要求并生成相应的出力指令，将该出力指令实时下发给锂电池储能系统和飞轮储能系统，从而控制储能系统出力，使系统处于经济的运行状态。
实际应用中，当混合储能系统接到AGC设点指令时，飞轮与锂离子电池混合储能系统立即启动放(充)电响应，在机组出力没有跟上之前，混合储能系统以额定功率出力支撑，飞轮储能系统在这个时段将储电完全释放(或充满)后退出，当机组进入平稳运行阶段时，锂离子电池储能系统退出，飞轮储能系统启动快速充电(放电)，修正机组出力与AGC设点指令的偏差，直至本次指令结束。
1)对于短时间/小功率指令，控制由飞轮储能系统单独出力；
对于功率小于飞轮系统配置功率，优先由飞轮储能系统单独出力响应。如在飞轮储能系统储能量已能满足指令需求，或者飞轮储能系统与机组配合可满足指令需求，则无需锂电储能系统动作，减小锂电池充放电次数。
2)对于长时间/大功率指令，控制两种储能系统协同联合出力；
对于长时间/大功率指令，优先由飞轮储能系统出力承担指令初期尖峰功率需求，当飞轮储能系统单独出力无法满足指令需求时，由锂电储能系统配合出力。由此可以减小锂电储能充放电倍率，减小尖峰出力时段充放电对锂离子电池的冲击，提高系统的运行安全性，同时延长锂离子电池的使用寿命。
3)控制飞轮储能系统提高调节精度指标；
AGC调频过程中，机组出力到达电网调度设点附近时，机组实际出力与AGC控制指令值仍会存在偏差，在目标值附近上下波动。为了减小机组出力波动对调节精度指标的影响，可以调用飞轮储能系统快速充放电进行弥补，改善机组调频的调节精度指标。具体地，通过记录AGC指令和机组出力、储能出力的数据，计算调节速率指标K1，调节精度指标K2，响应时间指标K3，进而计算机组AGC性能考核指标Kp，建立机组调频性能多维度评价指标。
10.AGC收益结算模块310
AGC收益结算模块可配置为实时采样并记录调度下发的AGC指令数据、机组的出力数据、储能系统的出力数据等，并根据各个电网中的调频补偿规则添加调频综合性能指标计算模块、调频里程计算模块和调频辅助服务里程补偿计算模块。具体地，AGC收益结算模块可以根据机组的出力曲线和火储联合出力曲线分别计算出每个调频过程中机组的调频指标和调频里程与火储联合体的调频指标和调频里程，通过叠加计算得到每个月机组独立调频辅助服务的里程补偿费用和火储联合体的综合里程补偿费用，实现了机组调频贡献的独立结算。
举例来说，以广东两个细则为例进行分析：
调节速率性能指标k1＝实测调节速率/广东AGC机组平均标准调节速率(p.u.)，上限为5；
响应时间性能指标k2＝1-响应延迟时间/5min；
调节精度性能指标k3＝1-机组的调节误差/调节允许误差量，调节允许偏差量为额定出力的1.5％；
调频性能指标k＝0.25×(2×k1+k2+k3)
机组每个调频过程的实际调节量＝|起始功率-结束功率|，理论调节量为AGC指令值变化的绝对差值。当实际调节量大于理论调节量时，调频里程＝理论调节量；否则，调频里程＝实际调节量。
调频辅助服务的里程收益＝调频性能指标×调频里程×出清价格。
如图4所示，本申请实施例提供的一种用于混合储能联合火电调频的能量管理系统包括上述的能量管理装置。此外，该能量管理系统还可以包括：储能调频控制装置41和火电机组调频控制装置42。
其中，储能调频控制装置41主要用于协调控制多台PCS，实现快速调频功能等。调频控制装置接收外部功率指令和机组指令，计算总的储能功率指令，控制储能系统整体输出，保证整体输出功率的实时性与准确性。储能协调控制装置还可以根据各电池组的SOC状态以及电池检修情况进行功率分配，使各电池组的性能状态达到均衡。
在电厂发电机组现有的生产系统中，RTU远动终端是电厂以及电网连接的终端，通常电网调度系统通过电网规约下发AGC调频信号至电厂RTU远动装置，然后通过EMS将出力信号发送给机组DCS系统和储能的PCS来改变机组和储能的出力以满足AGC调频指令。
本申请实施例中，火电机组调频控制装置42可以包括对上控制装置和对下协调控制装置，其中，对上控制装置一方面与EMS系统的其他部分进行通讯，上送数据及状态信息，另一方面与调度控制系统通讯，接收功率指令，并获取机组的当前运行功率指令，完成相关控制策略。对下协调控制装置采用快速光纤网络与PCS进行通讯，协调控制PCS运行状态，并根据一定的策略将功率指令分配给各台PCS。PCS与协调控制装置间通讯采用组网形式，单台协调控制装置最大支持控制32台PCS，功率指令传输毫秒级延时。协调控制装置保证接收到外部功率指令后，控制PCS总输出准确跟踪功率指令。通过上述过程，实现电厂对电网调度AGC指令的响应。
一些示例中，飞轮混合锂电储能联合火电机组控制过程包括如下五个步骤：
1)电网调度发送AGC指令给到电厂RTU。
2)储能主控单元和发电机组DCS接收RTU转发AGC指令；
3)发电机组按常规流程响应AGC指令；
4)储能主控单元根据AGC指令和机组并行运行状态信号，控制混合储能系统自动补偿机组出力偏差。
5)飞轮与锂电池混合储能在机组出力没有跟上之前，混合储能系统以额定功率出力支撑，飞轮储能在这个时段将储电完全释放(或充满)后退出，当机组进入平稳运行阶段时，锂离子电池储能退出，飞轮启动快速充电(放电)，修正机组出力与AGC设点指令的偏差，直至本次指令结束。
在上述控制过程中，EMS通过收集到的机组出力和储能的出力绘制出机组的出力曲线和联合出力曲线，然后通过内置的各省市的K值计算分析模块和机组的出力曲线和火储联合出力曲线分别计算出每个调频过程中机组的调频指标和调频里程与火储联合体的调频指标和调频里程，通过叠加计算得到每个月机组独立调频辅助服务的里程补偿费用和火储联合体的综合里程补偿费用，实现了机组调频贡献的独立结算。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种飞轮混合锂电储能辅助火电机组调频的能量管理装置，包括：
数据采集与监控模块，配置为通过专用协议与储能调频控制装置进行通讯，采集控制器数据并进行实时的监控操作，以及采集储能系统和机组运行状态数据；
调频控制模块，配置为根据AGC指令，基于系统工况自动进行计算，得到实时的储能出力要求并生成相应的出力指令，将该出力指令实时下发给锂电池储能系统和飞轮储能系统，从而控制储能系统出力。
2.根据权利要求1所述的能量管理装置，还包括：
AGC收益结算模块，配置为实时采样并记录调度下发的AGC指令数据、机组的出力数据、储能系统的出力数据，并根据机组的出力曲线和火储联合出力曲线分别计算出每个调频过程中机组的调频指标和调频里程与火储联合体的调频指标和调频里程，通过叠加计算得到每个月机组独立调频辅助服务的里程补偿费用和火储联合体的综合里程补偿费用。
3.根据权利要求1所述的能量管理装置，还包括：报警模块，配置为确定所述数据采集与监控模块所采集的模拟量发生越限，数字量变位及系统自诊断故障时进行报警处理。
4.根据权利要求1所述的能量管理装置，还包括：数据统计分析模块，配置为按照运行要求对电流、电压、频率、功率及温度进行统计分析。
5.根据权利要求3所述的能量管理装置，还包括：录波分析模块，配置为在同一个视窗下依次顺序显示各个模拟量通道的波形。
6.根据权利要求1所述的能量管理装置，还包括：诊断与维护模块，配置为对软硬件定时进行自诊断，当诊断出故障时能自动闭锁或退出故障设备，并发出告警信号。
7.根据权利要求1所述的能量管理装置，还包括：实时数据管理模块，配置为建立实时数据库和历史数据库，所述实时数据库包含实时数据，所述实时数据包括数据采集与监控模块所采集的实时数据、储能电站电气设备的参数和经程序处理的数据，所述历史数据库按照选定周期存放需长期保存的历史数据。
8.一种飞轮混合锂电储能辅助火电机组调频的能量管理系统，包括如权利要求1至8任一项所述的能量管理装置。
9.根据权利要求8所述的能量管理系统，还包括：
储能调频控制装置，配置为接收所述能量管理装置中调频控制模块下发的功率指令和机组指令，计算总的储能功率指令，控制储能系统整体输出；以及，配置为根据储能系统中各电池组的荷电状态SOC以及电池检修情况进行功率分配，使各电池组的性能状态达到均衡。
10.根据权利要求8所述的能量管理系统，还包括：
火电机组调频控制装置，包括对上控制装置和对下协调控制装置，所述上控制装置与所述能量管理装置通讯，上送数据及状态信息，并接收所述调频控制模块下发的功率指令，获取机组的当前运行功率指令，完成相关控制策略；所述对下协调控制装置可配置为协调控制PCS运行状态，并根据预定的策略将所述调频控制模块下发的功率指令分配给各台PCS。
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Denomination of invention: Energy management device and system for flywheel mixed lithium battery energy storage to assist thermal power unit frequency modulation Effective date of registration: 20221018 Granted publication date: 20210622 Pledgee: Industrial Bank Co.,Ltd. Shanghai Zhangyang Sub branch Pledgor: Aopu (Shanghai) new energy Co.,Ltd. Registration number: Y2022310000288 |
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Date of cancellation: 20231025 Granted publication date: 20210622 Pledgee: Industrial Bank Co.,Ltd. Shanghai Zhangyang Sub branch Pledgor: Aopu (Shanghai) new energy Co.,Ltd. Registration number: Y2022310000288 |
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Denomination of invention: Energy Management Device and System for Flywheel Hybrid Lithium Battery Energy Storage Assisted Frequency Modulation of Thermal Power Units Effective date of registration: 20231030 Granted publication date: 20210622 Pledgee: Industrial Bank Co.,Ltd. Shanghai Zhangyang Sub branch Pledgor: Aopu (Shanghai) new energy Co.,Ltd. Registration number: Y2023310000698 |